磁性体スピントロニクスに基づく色中心エンジニアリング

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J14418
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 篠崎 基矢 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2022-03-31
• Keywords: 半導体量子ドット / 高周波反射測定法 / ベイズの定理 / パラメトリック増幅器 / 磁気トンネル接合

Outline of Annual Research Achievements

半導体量子ドットは量子ビットとしての応用が期待される一方で、ナノスケールな局所電子状態のプロービングツールとしても有用である。今年度は半導体量子ドットを用いたミクロプローブ測定系の構築と改良、そして測定限界を決めるノイズメカニズムについて詳細に調べた。
ミクロプローブは量子ドットを抵抗と見立てたRLC共振回路により主に構成され、計測対象の量子状態は量子ドットの抵抗変化を介して共振器から反射される高周波信号の振幅に反映される。この共振器の周波数特性や回路コンポーネントの影響が読み出し信号のノイズに反映されていることをモデル計算と実験から示した。また量子ドット中の電荷ゆらぎノイズとミクロプローブ感度との相関について詳細に調べた。得られた複数のノイズの周波数特性から、実際のミクロプローブによる実時間測定における主なノイズ源を積算時間の観点から整理し、ミクロプローブを用いた高速測定のノイズメカニズムの詳細を明らかにした。
また、ノイズを低減して量子ドット中の電荷状態を調べるための信号処理手法として、これまでは時間積算による単純平均化が用いられてきた。この時間積算により状態読み出し速度が律されるため、これに代わる新たなアルゴリズムとしてベイズの定理を用いた状態推定手法を提案した。この手法により、従来の平均化手法よりもより高速に状態推定が可能であることを実証した。
また、ノイズの低減には測定回路中のアンプの内因的ノイズを小さくすることが有効である。そこで低温で動作する低ノイズなパラメトリック増幅器を開発するなど、ハード・ソフトの両側面からノイズ低減に資する研究も遂行している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた研究とは異なる方向性へ進んでいるが、本研究の根底にあるのは量子情報処理が抱える課題を解決することである。量子デバイスを活用していく上で避けることのできないノイズ問題について詳細に調べ、その解決手法をハード・ソフト的に提案した。以上のことからおおむね順調に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

ノイズは応用的には邪魔者である一方で、基礎物理的には非常に興味深い事象である。1/fゆらぎノイズはデバイス中における電荷ゆらぎの情報が反映され、トンネル接合におけるショットノイズからは電子のトンネル過程を知ることができる。本年度は、これまで半導体量子ドットのノイズ研究で培った知見を以て微細磁気トンネル接合における新たな高感度ノイズ測定系の確立及び測定を行う。素子サイズや構造による依存性を通じて、電荷及び磁化由来のノイズ双方について詳細に調べ、微細磁気トンネル接合におけるノイズ物理を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Gate voltage dependence of noise distribution in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots (2021)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Pages: 035002～035002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abe41f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing edge condition of nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions by spin-wave resonance (2020)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Takaaki Dohi, Junta Igarashi, Justin Llandro, Shunsuke Fukami, Hideo Sato, and Hideo Ohno
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 117 Pages: 202404～202404
  • DOI: 10.1063/5.0020591
  • Peer Reviewed
• [Presentation] CVDグラフェンナノリボンにおける単一量子ドット形成 (2021)
  • Author(s): 北田孝仁, 阿部峰也, 瀬尾瑞樹, 佐藤尚郁, 篠﨑基矢, 相澤拓海, 武藤由依, 金子俊郎, 加藤俊顕, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2021年春季大会
• [Presentation] Quantum Dots in plasma CVD Graphene Nanoribbons (2021)
  • Author(s): Takahito Kitada, Mizuki Seo, Takaya Abe, Motoya Shinozaki, Naohumi Sato, Takumi Aizawa, Yui Muto, Toshiro Kaneko, Toshiaki Kato and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach (2021)
  • Author(s): Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Readout noise in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots (2021)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CVDグラフェンナノリボンにおける量子ドット形成 (2020)
  • Author(s): 北田孝仁, 阿部峰也, 篠﨑基矢, 瀬尾瑞樹, 金子俊郎, 加藤俊顕, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ベイズ手法による量子ドット電荷状態推定のノイズ依存性 (2020)
  • Author(s): 武藤由依, 篠﨑基矢, 北田孝仁, 永安修也, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Sen Li, 伊藤匠, 樽茶清悟, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 量子ドット高周波反射測定のノイズ解析 (2020)
  • Author(s): 篠﨑基矢, 武藤由依, 北田孝仁, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 伊藤匠, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 機械学習による量子ドットの電荷状態推定 (2020)
  • Author(s): 中曽拓, 篠﨑基矢, 相澤拓海, 北田孝仁, 武藤由依, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 伊藤匠, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 兼村厚範, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Noise analysis of radio-frequency reflectometry in quantum dots (2020)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: 第10回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の研修会
• [Presentation] Noise dependence of the charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach (2020)
  • Author(s): Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: 第10回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の研修会